物理气相沉积制备锂离子电池正极薄膜研究进展

薄膜锂离子电池是锂离子电池发展的最新领域,正极材料的薄膜化是薄膜锂离子电池的重要部分。综述了近年来国内外物理气相沉积在薄膜锂离子电池正极薄膜方面的研究新进展,着重介绍了射频磁控溅射、脉冲激光沉积、电子束沉积等制备技术的工作原理、特点及发展,并对这些制备技术在锂离子电池正极薄膜制备中的应用进行了分析、比较和评价。

软溶胶-凝胶法制备锂离子正极薄膜

近年来有关锂离子电池的研究热点之一是氧化物正极材料。综合评述以锂氧钴为代表的各氧化物性能及其电极的制备,得出一种电极制备新方法软溶胶-凝胶法。此法优于其它传统法之处是可一步制成电极,预期其在制备微型锂离子电池领域有很大的应用前景。

硅酸/硅酸钠为粘结剂热电池正极薄膜的制备

以硅酸/硅酸钠混合物为粘结剂制备了热电池FeS2正极薄膜,对FeS2正极薄膜表面SEM分析可知使用硅酸/硅酸钠混合物为粘结剂起到了较好的粘接效果;通过改变正极薄膜中粘结剂的添加量、导电剂的添加量、FeS2粉末的球磨时间等因素,对单体电池放电性能进行测试。结果表明,正极薄膜中添加15%质量分数的粘结剂,1%质量分数的碳纳米管导电剂,FeS2粉末球磨24 h时FeS2正极薄膜组成的单体电池放电效果最好。单体电池放电电压截止1.5 V时,单体电池中活性物质的比容量达到了310.47 mAh/g。

磁控溅射制备LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)薄膜工艺研究

目的探究了磁控溅射法制备符合化学计量比且循环性能良好的LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)(NCM811)薄膜工艺,有利于进一步提高全固态薄膜电池能量密度。方法从溅射功率、氩氧比、衬底温度中各选取3个水平组成L9(34)正交试验,在不锈钢衬底上沉积制备NCM811薄膜。利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对薄膜进行表征。利用EDS和ICP对薄膜成分进行分析。利用蓝电测试系统对以NCM811为正极的电池进行循环曲线测试。结果根据极差分析结果发现,影响前50圈放电容量保持率的因素从大到小依次为:温度>功率>氩氧比。其中功率和温度对循环性能有很大的影响,极差R值分别为18.45和26.79;氩氧比对循环性能影响较小,极差R值为3.17。增大溅射功率、提高衬底加热温度、增加氩氧比中氩气的含量有利于制备出符合化学计量比的NCM811薄膜。随着溅射功率的提升,NCM811薄膜的结晶度增强,材料中Ni^(2+)/Li^(+)阳离子的混排程度降低;随着衬底温度升高,薄膜由非晶逐渐转化为晶态,表面由无序非晶形貌过渡到小三角片状晶粒,厚度变薄,且更加致密。薄膜的循环性能也随着功率和衬底温度的增加有着明显的提升。结论正交试验结果表明,薄膜制备的最优工艺条件为:溅射功率110 W,衬底温度650℃,Ar∶O_(2)=2∶1(体积流量比),验证试验表明NCM811薄膜中主元素原子数占比Ni∶Co∶Mn=79.9∶10.2∶9.9,接近理想原子数占比8∶1∶1,且前50圈放电容量保持率达到72.33%。

薄膜型锂离子电池正极材料研究进展

简要介绍了近年来磁控溅射和脉冲激光沉积制膜技术在薄膜型锂离子电池正极材料制备方面的应用研究;对制膜新工艺及新型正极材料的研究现状进行了概括,认为现阶段新型材料LiFePO_4有希望成为薄膜锂电池正极材料的首选,并展望了薄膜型锂离子电池的发展前景。

热电池FeS_2正极丝网印刷薄膜化制备研究

采用丝网印刷薄膜电极制备工艺,将FeS2与电解质、导电剂混合,印至基体表面,经真空干燥,制成薄膜正极,其厚度为0.4～0.5 mm。与LiSi合金负极和LiCl-KCl低共熔电解质组成单体电池,将3个单体电池串联封装制成热电池。常温分别以45Ω和4.5Ω恒阻放电,其放电曲线平缓,峰值电压分别达到6.59 V和6.12 V,相比现有粉末压片工艺制备的电池,其单体电池峰值电压提高0.15 V。通过选用不同薄膜基体材料,可使热电池满足不同需求。初步研究表明,新工艺更能适应当前热电池大功率小型化长寿命发展的需要。

热电池用FeS_2薄膜正极消除电压尖峰的研究

利用水热合成FeS2,将FeS2与葡萄糖充分混合在高纯氩气的保护下烧结5 h。利用X射线衍射对烧结后的FeS2进行表征。结果表明,450℃为最佳烧结温度,在400℃烧结白铁矿没有完全消除,在500℃烧结部分FeS2分解。将烧结后的FeS2采用丝网印刷技术制成薄膜正极,制成LiSi/FeS2体系单体电池在不同条件下放电。结果表明,FeS2烧结有效消除了放电初期电压尖峰,FeS2与葡萄糖混合物在450℃烧结后制备的单体电池比400和500℃烧结有更高的放电电压和更大的放电比容量。

热电池NiCl2薄膜正极中添加剂对放电性能的影响

采用丝网印刷薄膜化工艺制备了NiCl2薄膜正极,研究了薄膜正极中添加单种粘结剂、共混粘接剂以及不同导电剂对单体电池放电性能的影响。实验结果表明,NiCl2薄膜正极中共混粘结剂在粘结性能以及放电性能方面表现优秀,最佳共混比例为MgO与SiO2的质量分数比为90:10,此外,添加10%的活性炭导电剂可以提高薄膜正极的导电性,从而提高电池的放电性能。

热电池CoS_2薄膜正极的制备及性能研究

研究了浆料涂布法制备CoS_2薄膜正极的工艺。对和膏剂及干燥条件等工艺过程和参数进行优化。采用X射线衍射和扫描电子显微镜对薄膜进行表征。研究表明,H-1为和膏剂时,薄膜单体电池的放电性能最优。相比粉末压片工艺,薄膜工艺更适合自动化生产,薄膜正极制备的单体电池放电性能更好,特别是大电流放电的优势更加明显。

热电池用NiCl_2薄膜正极的制备研究

;采用溶液法在NiCl_2中添加不同导电剂,与电解质混合后涂覆在泡沫镍基体上,制成NiCl_2薄膜正极。实验中添加石墨烯、碳纳米管和高比表面积活性炭都可提高放电电压,其中采用此三种混合导电剂可使450℃恒温,100 mA/cm2恒流放电电压达2.36 V,截止电压1.8 V时,放电比容量达211.8 mAh/g。热电池样机室温1 A放电,单体电压可达2.53 V,激活时间0.33 s。初步研究表明,NiCl_2中添加含碳导电剂不但提高了电导率,还缩短了激活时间。

退火温度对LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2薄膜正极电化学性能的影响

采用射频磁控溅射技术制备LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2薄膜正极,分别在200,300,400,500和600℃下进行退火处理,利用扫描电镜、等离子体发射光谱仪、拉曼光谱仪、X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪等对不同温度下退火后的薄膜电极的形貌、结构和物相组成等进行分析,并测试其电化学性能。结果表明,500℃下退火后的LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2薄膜正极放电容量相对较低,但表现出优异的循环稳定性和倍率性能,在50(μA·h)/(cm^2·μm)倍率下循环60圈后,仍保持初始放电容量(130.3(μA·h)/(cm^2·μm))的88.5%,经过电流密度分别为50,100,200,500和50μA/(cm^2·μm)的倍率循环,容量可以恢复到初始值,优异的循环稳定性和倍率性能是由于退火改善了LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2的结晶性,并伴随着离子导电性和电子导电性的提高,但在更高温度(600℃)下退火的电池初始放电容量降低,这是由于高温退火产生的不纯相(Ni^(3+)离子物质)导致的,Co^(2+)和Mn^(3+)离子的出现是电池容量衰减的主要原因。

全固态薄膜锂电池研究进展和产业化展望

全固态薄膜锂电池利用固态电解质替代传统电解液,采用多层薄膜堆垛的平面结构,属于新一代的锂离子电池,在军民两用的可穿戴设备、便携式移动电源、汽车和航空动力电池等领域应用前景广阔。该类电池因高安全性、长循环寿命、高比容量和高能量密度等优势性能受到业界广泛关注。本文概述薄膜锂电池的分类和充放电原理,总结正负极、电解质薄膜材料的发展历程和薄膜制备手段的改进,对比各类电池材料的电化学性能,引入该方向最新的研究进展:三维薄膜锂电池,可变形的柔性电池,高电压、大容量电池组。汇总国外商用电池产品、关键优势技术、电池制备设备,提出薄膜锂电池亟待解决的科学问题和国内潜在的产业化方向。

全固态薄膜锂电池研究进展

同锂离子电池相比,全固态锂电池不仅安全性好,而且在提高比能量、比功率密度以及循环性能方面也有更大的空间,从而得到广泛关注。在现有全固态锂电池中全固态薄膜锂电池(TFB)的制备工艺成熟,电池性能优异,已率先实现了商品化生产。同传统的锂离子电池不同,TFB的主要制备方法是物理成膜形成致密正极、电解质和负极薄膜,各层薄膜采用原位叠加方式形成。本文总结了近十年来TFB的研究工作,力图囊括全固态薄膜电池的完整制备过程以及各制备环节的技术进展和存在的科学技术问题。本文首先分述了固态电解质薄膜、正极薄膜、负极薄膜等三个主要构成部分的研究进展和关键问题,在此基础上,归纳了电极/电解质界面的设计、制备以及TFB制备过程及其关键问题和技术的研究进展,最后还介绍了基底、集流体、封装三个辅助部分的制备过程以及最近报道的新型特殊结构TFB。

全固态薄膜锂电池研究进展

全固态锂电池具有安全性好、寿命长、易于集成等优点,被认为是锂二次电池未来的一个发展方向。介绍了全固态薄膜锂电池国内外研究进展,阐述了电解质、正负极的研究状况,分析了全固态薄膜锂电池的发展方向,展望了今后的发展趋势和研究热点。

热电池用CoS_2薄膜电极的制备及性能研究

以CoSO_4及Na_2S_2作为原料,采用共沉淀-烧结制备了CoS2粉体材料。利用XRD、SEM及DSC对产物进行了研究。采用等离子喷涂技术制备了CoS2薄膜,对薄膜的物相、形貌及单体电池放电性能进行了研究。研究表明,制备的粉体为纯的CoS2,且在最高温度700℃下均有良好的热稳定性。涂层薄膜为纯的CoS2,喷涂过程中CoS2未发生明显的分解,200mA/cm2恒流放电时,单体电池放电电压为1.99~2.02V,单体电池放电比容量为232mAh/g。

溅射功率对LiCoO2薄膜结构及性能的影响研究

采用射频磁控溅射技术,在不锈钢衬底上沉积制备了(003)取向的LiCoO_(2)薄膜。通过X射线衍射仪、扫描电镜、拉曼及电化学测试探究了溅射功率对LiCoO_(2)薄膜结构及电化学性能的影响。结果表明在80-160 W功率范围内,适当增加功率有助于Co与O的键合,提高薄膜的结晶度。功率为120 W时,首次放电比容量为40.9μAh cm-2μm-1,循环100圈后容量保持率为61.2%;但当功率提高到160 W时,由于过快的沉积速率难以与粒子在衬底表面的扩散速率相匹配反而会造成LiCoO_(2)结晶度下降,晶格产生畸变,阻碍了Li+在材料内部的扩散,循环100圈后容量保持率只有54.2%。